本發(fā)明涉及輸電工程，特別是一種用于減輕輸電塔振動(dòng)的輸電塔減振器及其制備和使用方法。

背景技術(shù)：

用于架設(shè)輸電線的輸電塔在風(fēng)荷載及地震作用下會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生倒塌，對(duì)輸電塔進(jìn)行減振是保證其結(jié)構(gòu)安全的重要舉措。

cn102936926a專利文獻(xiàn)披露了一種可用于輸電塔減振的多維碰撞耗能質(zhì)量擺阻尼器。該阻尼器由通過鋼索懸吊在下部開口的金屬圓筒內(nèi)的質(zhì)量球構(gòu)成，在金屬圓筒的內(nèi)壁上貼附粘彈材料，利用質(zhì)量球在外部荷載作用下產(chǎn)生慣性力碰撞金屬圓筒的內(nèi)壁達(dá)到耗能減振效果。

該阻尼器存在以下缺點(diǎn)：

(1)鋼索懸掛質(zhì)量球不具備內(nèi)共振特性，只利用質(zhì)量球振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力進(jìn)行減振，減振效果不佳。

(2)未給出阻尼器達(dá)到最佳減振效果時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)與輸電塔的有關(guān)技術(shù)參數(shù)的關(guān)系，不能保證設(shè)計(jì)的裝置達(dá)到最佳減振效果。

(3)該阻尼器下端開口，鋼索、質(zhì)量球和粘彈材料層易受腐蝕，耐久性差。

cn105297939a專利文獻(xiàn)披露了一種安裝在輸電塔頂部的非線性動(dòng)力吸振電磁耗能裝置。該裝置在一個(gè)箱型結(jié)構(gòu)的頂部與底部分別固定永磁鐵，形成均勻磁場(chǎng)，在箱體內(nèi)懸掛下端帶有質(zhì)量塊的彈簧，彈簧中間穿插絞線，彈簧和質(zhì)量塊組成彈簧擺，彈簧擺動(dòng)頻率與被控結(jié)構(gòu)的主振頻率一致，彈簧擺的運(yùn)動(dòng)方式為彈簧振動(dòng)和整體擺動(dòng)兩種模態(tài)的耦合，當(dāng)滿足內(nèi)共振條件時(shí)，會(huì)發(fā)生一種振動(dòng)激發(fā)另一種振動(dòng)，從而達(dá)到非線性吸振的效果；同時(shí)外殼為鋁導(dǎo)體的質(zhì)量快擺動(dòng)時(shí)切割磁力線，在質(zhì)量快的導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流，渦流轉(zhuǎn)化為電阻熱，達(dá)到耗能減振效果。該裝置雖然克服了上述阻尼器的第一個(gè)缺陷，但仍存在以下缺點(diǎn)：

(1)采用電磁感應(yīng)耗能，質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜；永磁鐵長(zhǎng)期使用會(huì)退磁，影響減振裝置的耗能減振效果。

(2)未給出裝置達(dá)到最佳減振效果時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)與輸電塔的有關(guān)技術(shù)參數(shù)的關(guān)系，不能保證設(shè)計(jì)的裝置達(dá)到最佳減振效果。

(3)在外部激勵(lì)作用下，質(zhì)量塊可能與箱體側(cè)面發(fā)生碰撞，嚴(yán)重時(shí)易造成裝置損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是結(jié)合上述現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提供一種可達(dá)到最佳減振效果的輸電塔減振器及其制備和使用方法。

本發(fā)明提供的輸電塔減振器，包括固定安裝在輸電塔頂部中心處的一個(gè)圓筒形金屬箱體，在金屬箱體內(nèi)頂板的中心處懸掛由馬氏體形狀記憶合金制成的高阻尼彈簧，高阻尼彈簧的下端系實(shí)心鋼球，在金屬箱體內(nèi)側(cè)壁上粘貼彈性膠帶；

所述實(shí)心鋼球與輸電塔的質(zhì)量比μ＝m2/m1＝0.01～0.02，

實(shí)心鋼球的半徑

所述金屬箱體的內(nèi)徑

金屬箱體的高度

所述高阻尼彈簧的長(zhǎng)度

高阻尼彈簧的剛度ks＝16m2π²f²(n/m)，

以上各式中：

m1為輸電塔的質(zhì)量(kg)，

m2為實(shí)心鋼球的質(zhì)量(kg)，

ρ為實(shí)心鋼球的密度(kg/m³)，取ρ＝7.85×10³kg/m³，

g為重力加速度(m/s²)，

f為輸電塔(8)的一階頻率(hz)，可通過建立輸電塔有限元模型求得，

gp為實(shí)心鋼球(4)彈性膠帶(5)之間的距離(m)，gp＝0.05～0.2(m)，

cn為彈性膠帶(5)的厚度(m)，cn＝0.01～0.025(m)。

上述輸電塔減振器的制備和使用方法，包括：

步驟一、制作減振器：

先通過焊接制作下端開口、上部頂板為方形的圓筒形金屬箱體；在金屬箱體的內(nèi)側(cè)底部用膠黏劑粘貼所述彈性膠帶；將下端連接有實(shí)心鋼球的高阻尼彈簧的上端焊接在金屬箱體的頂板中心處；用與頂板相同的底板封閉箱體，制成頂板和底板為方形、中間為圓筒形的減振器；

步驟二、架設(shè)輸電塔；

步驟三、輸電塔架設(shè)施工完成后，將步驟一減振器的金屬箱體通過焊接(頂板和底板分別與輸電塔焊接)豎直固定安裝在輸電塔的頂部中心處。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明輸電塔減振器，當(dāng)外部激勵(lì)作用在短時(shí)間內(nèi)大小不斷發(fā)生交迭變化時(shí)，實(shí)心鋼球在箱體內(nèi)隨著外部激勵(lì)作用大小的變化發(fā)生幅度不等的擺動(dòng)，在與箱體發(fā)生碰撞和不碰撞兩種情形下的減振效果分別是：

實(shí)心鋼球與箱體不發(fā)生碰撞時(shí)，由于高阻尼彈簧的恢復(fù)力方向總是與外部激勵(lì)的方向相反，減振器相當(dāng)于為輸電塔增加了一個(gè)非線性的剛度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電塔的減振。進(jìn)一步，外部激勵(lì)較小時(shí)，由于高阻尼彈簧的存在，可產(chǎn)生高阻尼彈簧的擺動(dòng)模態(tài)與振動(dòng)模態(tài)的內(nèi)共振，高阻尼彈簧將減振器吸收的輸電塔的動(dòng)能由擺動(dòng)模態(tài)向振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)化，減振效果顯著增強(qiáng)；

實(shí)心鋼球在動(dòng)荷載作用下與箱體碰撞時(shí)，箱體對(duì)實(shí)心鋼球的碰撞力總是與地震激勵(lì)方向相反，利用碰撞力做功，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電塔的耗能減振。進(jìn)一步，在箱體內(nèi)側(cè)壁上粘貼彈性膠帶，實(shí)心鋼球撞擊在具有非線性特性的彈性膠帶上，減振器相當(dāng)于被附加了一個(gè)非線性的阻尼，利用粘彈性材料壓縮耗能，進(jìn)一步增強(qiáng)了減振效果。

總之，高阻尼彈簧在外部激勵(lì)作用下，在實(shí)心鋼球與箱體不發(fā)生碰撞時(shí)靠高阻尼彈簧的擺動(dòng)模態(tài)與振動(dòng)模態(tài)的內(nèi)共振及高阻尼彈簧的恢復(fù)力進(jìn)行減振；實(shí)心鋼球在動(dòng)荷載作用下與箱體碰撞時(shí)，在碰撞過程開始前及結(jié)束后均依靠高阻尼彈簧的擺動(dòng)模態(tài)與振動(dòng)模態(tài)的內(nèi)共振及高阻尼彈簧的恢復(fù)力進(jìn)行減振，在碰撞過程中依靠箱體對(duì)實(shí)心鋼球的碰撞力做功進(jìn)行減振。

本發(fā)明限定箱體的內(nèi)徑可使得減振器在外部激勵(lì)作用下，外部激勵(lì)較小時(shí)，實(shí)心鋼球與箱體以不發(fā)生碰撞為主要耗能方式；外部激勵(lì)較大時(shí)，實(shí)心鋼球與箱體以發(fā)生碰撞為主要耗能方式。

2、本發(fā)明給出了使減振器達(dá)到最佳減振效果的減振器設(shè)計(jì)參數(shù)及其計(jì)算公式，包括：

(1)本發(fā)明將實(shí)心鋼球與輸電塔的質(zhì)量比限定為μ＝m2/m1＝0.01～0.02，該質(zhì)量比是通過大量減振仿真模擬計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果反復(fù)進(jìn)行歸納、對(duì)比得出的。實(shí)心鋼球與輸電塔的質(zhì)量保持該比例，可使高阻尼彈簧產(chǎn)生的恢復(fù)力最大，減振效果最佳。實(shí)心鋼球的半徑正是根據(jù)這一結(jié)果得出的。

(2)本發(fā)明限定高阻尼彈簧的長(zhǎng)度可確保減振器的振蕩頻率與輸電塔的一階頻率相同，以有效降低輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)，提高減振效果；同時(shí)限定高阻尼彈簧的剛度ks＝16m2π²f²，可使得外部激勵(lì)作用下實(shí)心鋼球的動(dòng)能由擺動(dòng)模態(tài)向振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)非線性能量阱的減振效果。

(3)基于實(shí)心鋼球在箱體中呈“∞”形擺動(dòng)(如圖4所示)，限定箱體的高度可使高阻尼彈簧及實(shí)心鋼球在箱體內(nèi)擺動(dòng)過程中，既不與底板發(fā)生碰撞，又可將箱體的高度限制到最小，達(dá)到節(jié)省材料消耗的目的。

3、本發(fā)明采用圓筒形金屬箱體及高阻尼彈簧，可對(duì)輸電塔實(shí)現(xiàn)多維減振。

附圖說明

圖1為本發(fā)明輸電塔減振器的立面圖；

圖2為圖1的a-a剖面圖；

圖3為本發(fā)明減振器的安裝使用示意圖；

圖4為實(shí)心鋼球運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。

圖中，1-金屬箱體，2-頂板，3-高阻尼彈簧，4-實(shí)心鋼球，5-彈性膠帶，6-底板，7-減振器，8-輸電塔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖3所示，本實(shí)施例的輸電塔8的質(zhì)量為m1＝17068.03kg；通過建立輸電塔有限元模型，求得輸電塔的一階頻率f＝1.87hz。

如圖1和圖2所示，該實(shí)施例的輸電塔減振器7，包括圓筒形金屬箱體1，金屬箱體有外延的頂板2和底板6，在金屬箱體內(nèi)頂板的中心處懸掛由馬氏體形狀記憶合金制成的高阻尼彈簧3，高阻尼彈簧的下端系實(shí)心鋼球4，在箱體底部?jī)?nèi)側(cè)壁上粘貼環(huán)狀、材質(zhì)為3m-vhb的彈性膠帶5，彈性膠帶的厚度cn＝0.02m。

實(shí)心鋼球與輸電塔的質(zhì)量比取μ＝m2/m1＝0.015，由此得出實(shí)心鋼球的質(zhì)量m2＝μm1＝0.015×17068.03＝256kg，取實(shí)心鋼球的密度ρ＝7.85×10³kg/m³，實(shí)心鋼的半徑圓筒形金屬箱體的頂板和底板采用q235級(jí)、厚10mm、邊長(zhǎng)為0.8m正方形鋼板，頂板和底板之間的圓形箱壁為q235級(jí)鋼板，厚度cg＝10mm，箱體的內(nèi)徑金屬箱體的高度所述高阻尼彈簧的上端焊接在頂板的中心處，高阻尼彈簧的長(zhǎng)度高阻尼彈簧的剛度ks＝16m2π²f²＝16×256×3.14²×1.87²＝1.41×10⁵n/m。

該實(shí)施例輸電塔減振裝置的制備和使用方法：

步驟一、制作減振裝置：

先采用焊接制作下端開口、上部為方形頂板的圓筒形金屬箱體；在金屬箱體的內(nèi)側(cè)底部用膠黏劑粘貼所述彈性膠帶；將高阻尼彈簧的上端焊接在金屬箱體的頂板中心處，下端與實(shí)心鋼球固定連接；用與頂板相同的底板通過焊接封閉箱體，制成頂板和底板為方形、中間為圓筒形的減振裝置，待用。

步驟二、架設(shè)輸電塔。

步驟三、輸電塔架設(shè)施工完成后，如圖3所示，將步驟一減振裝置的金屬箱體通過焊接(頂板和底板分別與電視塔焊接)豎直固定安裝在輸電塔的頂部中心處，即可用其對(duì)輸電塔進(jìn)行減振。減振過程中實(shí)心鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。